一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法及其应用与流程

本发明涉及钢材，具体涉及一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法及其应用。

背景技术：

1、管线输送是石油和天然气输送的重要手段之一。近年来，油、气输送管线向着大管径、高压力方向发展。随着海上油田、极地油田的开发，管线钢的服役条件日益恶化，对管线钢的质量要求越来越严格。为了得到高质量的管线钢，上世纪便提出了氧化物冶金技术，即通过控制管材中或焊缝中氧化物的微细弥散化分布使其在加热过程中钉扎奥氏体晶界，诱导针状铁素体与多位相贝氏体的生成，从而有效提高管线钢及热影响区的强韧性。

2、管线钢及其焊缝中的夹杂物显著影响其性能，因为夹杂物数量、形状和尺寸以及其分部的位置都对钢铁材料的性能有着严重的影响，只有当其得到有效控制并且对钢铁性能无较大影响时才会得到较为理想的性能。目前，一些学者提出在炼钢过程中，加入镁、钛、稀土元素等脱氧元素后，可以达到调控管线钢中夹杂物的效果。不同种类的非金属夹杂物具有不同的性质，具有合适尺寸与形状的夹杂物有利于提高管线钢的综合性能，但是一些具有不规则形状的夹杂物，如长条状硫化锰、有棱角的氧化铝等都会恶化管线钢及焊缝金属的性能。

3、为了评估、预测夹杂物对管线钢及其焊缝性能的影响，需要对夹杂物的种类、元素分布进行更为深入的分析，当前的方法主要是获得非金属夹杂物的分布或者总量，无法准确的分析小尺寸夹杂物的元素组成及分布。例如专利号为cn202010397749.x《钢中非金属夹杂物三维腐刻装置及腐刻方法》，提出为了获得非金属夹杂物的三维形貌，采用电化学腐蚀的方法，但是该方法既无法得到夹杂物周围的组织，也无法准确获得夹杂物的元素分布。而专利号为cn202211118527.5《一种钢中夹杂物的分析方法》，提出对被测钢中进行自熔焊，使得夹杂物可以浮上熔池表面，再结合扫描电子显微镜观察，主要用来分析钢中非金属夹杂物的总量。目前公开的专利技术无法准确分析单个、小尺寸夹杂物的元素组成及分布，鉴于此本发明提出一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法及其应用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法及其应用。目的是通过采用本发明的方法使小尺寸非金属夹杂物在扫描电子显微镜下更易观察，配合eds分析，来分析夹杂物的元素种类及分布。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、第一方面，一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法，包括如下步骤：

4、(1)金相试样预处理：制作金相试样，将金相试样与导线连接，后依次进行冷镶、打磨、抛光处理，得到待充氢的金相试样；

5、(2)电化学充氢：将所述待充氢的金相试样与直流电源、充氢液组装成电解池，进行所述待充氢的金相试样的电化学充氢，得到充氢的金相试样；

6、(3)化学腐蚀：将所述充氢的金相试样去除冷镶，清洗后进行化学腐蚀，得到待检测的金相试样；

7、(4)通过扫描电子显微镜对所述待检测的金相试样中非金属夹杂物的形貌进行观察，再通过eds能谱分析所述待检测的金相试样中非金属夹杂物的元素种类。

8、由于显微组织的复杂性，小尺寸的非金属夹杂物在扫描电子显微镜的视场下往往不容易直接观察到。而非金属夹杂物一般具有不可逆氢陷阱，进行电化学充氢后的金相试样中的非金属夹杂物会捕获氢原子，当充氢电流与时间合适时，非金属夹杂物附近会产生氢损伤且不影响显微组织及夹杂物的观察，使得夹杂物通过扫描电子显微镜观察更为容易，配合eds能谱分析，可以分析夹杂物包含的元素种类以及合金元素在夹杂物中的分布。

9、本发明的有益效果是：本发明用于观察管线钢及其焊缝中的小尺寸非金属夹杂物，将待观测金相试样冷镶后，砂纸打磨、金刚石研磨剂抛光后，进行电化学充氢，充氢完成后从冷镶块中取出，清洗后腐蚀，在扫描电子显微镜下观察非金属夹杂物，此时更容易找到小尺寸的非金属夹杂物；与常规的扫描电子显微镜下观察非金属夹杂物的方法相比，本发明利用电化学充氢可以更有效的观察到小尺寸夹杂物的分布，因为非金属夹杂物一般为不可逆氢陷阱，电化学充氢条件下会捕获进入金属中的氢原子，氢原子会在非金属夹杂物周围聚集，使得非金属夹杂物的观察更为容易；因此本发明的方法更易于在显微组织视场中观察到夹杂物的位置，配合eds能谱分析功能，可以得到夹杂物的元素组成及分布。

10、其中，步骤(3)中的清洗为丙酮超声清洗、酒精冲洗。

11、进一步，步骤(2)中电解池的组装的具体的方法为：将所述待充氢的金相试样通过所述导线与所述直流电源的负极电连接，将所述直流电源的正极与阳电极(例如pt电极)电连接，将所述待充氢的金相试样与所述阳电极置于充氢液中。

12、进一步，所述充氢液为含有硫酸和硫脲的混合溶液，所述混合溶液中硫酸的摩尔浓度为0.25～0.75mol/l，所述混合溶液中硫脲的质量浓度为1.5～4.5g/l。

13、采用上述进一步方案的有益效果是：硫酸与硫脲形成的混合溶液的作用是充当充氢介质，硫酸的作用是提供氢离子，硫脲的作用则是抑制氢原子形成氢气。

14、进一步，所述混合溶液中硫酸的摩尔浓度为0.5mol/l，所述混合溶液中硫脲的质量浓度为3g/l。

15、进一步，所述待充氢的金相试样的电化学充氢的电流为5-50μa/cm2，时间为1～4小时。

16、采用上述进一步方案的有益效果是：采用恒流电源进行电化学充氢是为了使金相试样夹杂物与基体组织发生不同程度的氢捕获作用，使得较小尺寸的夹杂物更易于在扫描电镜下观察。

17、进一步，步骤(3)中，化学腐蚀采用的腐蚀液为质量含量为1-7％硝酸酒精溶液。优选的为4％硝酸酒精溶液。

18、采用上述进一步方案的有益效果是：采用硝酸酒精溶液进行化学腐蚀可以较为有效的观察铁素体不同晶粒的形貌。

19、进一步，步骤(1)中金相试样的大小为15～20mm*15～20mm*5mm，将金相试样与导线通过导电胶连接。

20、进一步，步骤(1)中冷镶采用环氧树脂或者亚克力试剂；打磨具体步骤为：依次采用200#至2000#砂纸进行打磨；抛光具体步骤为：在高速抛光机上采用粒度为0.5的金刚石进行抛光。

21、采用上述进一步方案的有益效果是：采用冷镶的优势在，可以更为有效的进行电化学充氢，冷镶后只有待观察表面与充氢溶液接触，现象更为明显；打磨、抛光是为了降低金相表面粗糙度对充氢的影响。

22、第二方面，一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法的应用，将所述一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法用于评估和/或预测夹杂物对钢制品性能的影响中。

23、进一步，所述的钢制品包括管线钢或焊缝金属。

技术特征：

1.一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法，其特征在于，步骤(2)中电解池的组装的具体的方法为：将所述待充氢的金相试样通过所述导线与所述直流电源的负极电连接，将所述直流电源的正极与阳电极电连接，将所述待充氢的金相试样与所述阳电极置于充氢液中。

3.根据权利要求1或2所述一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法，其特征在于，所述充氢液为含有硫酸和硫脲的混合溶液，所述混合溶液中硫酸的摩尔浓度为0.25～0.75mol/l，所述混合溶液中硫脲的质量浓度为1.5～4.5g/l。

4.根据权利要求3所述一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法，其特征在于，所述混合溶液中硫酸的摩尔浓度为0.5mol/l，所述混合溶液中硫脲的质量浓度为3g/l。

5.根据权利要求1或2所述一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法，其特征在于，所述待充氢的金相试样的电化学充氢的电流为5-50μa/cm2，时间为1～4小时。

6.根据权利要求1所述一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法，其特征在于，步骤(3)中，化学腐蚀采用的腐蚀液为质量含量为1-7％硝酸酒精溶液。

7.根据权利要求1所述一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法，其特征在于，步骤(1)中金相试样的大小为15～20mm*15～20mm*5mm，将金相试样与导线通过导电胶连接。

8.根据权利要求1所述一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法，其特征在于，步骤(1)中冷镶采用环氧树脂或者亚克力试剂；打磨具体步骤为：依次采用200#至2000#砂纸进行打磨；抛光具体步骤为：在高速抛光机上采用粒度为0.5的金刚石进行抛光。

9.一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法的应用，其特征在于，将权利要求1至8任一项所述一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法用于评估和/或预测夹杂物对钢制品性能的影响中。

10.根据权利要求9所述一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法的应用，其特征在于，所述的钢制品包括管线钢或焊缝金属。

技术总结
本发明涉及一种检测小尺寸非金属夹杂物的方法及其应用，涉及钢材技术领域，包括如下步骤：(1)金相试样预处理；(2)电化学充氢；(3)化学腐蚀；(4)通过扫描电子显微镜对所述待检测的金相试样中非金属夹杂物的形貌进行观察，再通过EDS能谱分析所述待检测的金相试样中非金属夹杂物的元素种类。与常规的扫描电子显微镜下观察非金属夹杂物的方法相比，本发明利用电化学充氢可以更有效的观察到小尺寸夹杂物的分布，电化学充氢条件下会捕获进入金属中的氢原子，氢原子会在非金属夹杂物周围聚集，使得非金属夹杂物的观察更为容易，配合EDS能谱分析，可以得到夹杂物的元素组成及分布。

技术研发人员：戴联双,利成宁,冯庆善,王敬松,王婷,邸新杰,王策,于瑶,查济东,李狄楠,王东鹏,王晔
受保护的技术使用者：国家石油天然气管网集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31